CN1332847C - 上下脚踏式自行车车架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上下脚踏式自行车车架，旨在提供一种踏起来省力的自行车所用的车架。其结构为：以现行自行车的车架为基础，在其中接头下面增设下立管和底管，底管垂直且对称于所述车架平面，下立管垂直接在中接头和底管之间，连接在中接头的下管和两根平叉，都改接到底管上；在中接头和下管之间，还可设一根中下管；为达到省力的目的，把中接头向后移动，移动的距离一般占原来距离45%，故省力一般可达45%左右。用本发明的车架所组装的自行车，脚踏板采用在中轴前方上下脚踏，并设有中轴离合器、曲柄回复器和曲柄正、负角限位机构。由于中接头后移，脚踏板的位置显得合理，适合人体用力的特点，因而踏起来轻松、省力。

Description

上下脚踏式自行车车架

技术领域：

本发明涉及一种车架，尤其是涉及一种采用上下脚踏方式的自行车车架。

背景技术：

目前市场上流行的各种自行车，其特点是，脚踏板的脚踏方式是旋转式，这种脚踏方式的自行车存在两个不足，脚踏板的位置不合理和受力效率差。由实际体验知，当一脚踏板受到大小相同，方向垂直于地面的力时，由于脚踏板的位置不同，因而脚踏时所用的力气的大小也不同，图1中示出了在现行自行车中取经过鞍座中心点Z点且垂直地面的直线为Z线，当脚踏板离Z线远时，踏起来费劲，近时省力。现行自行车脚踏时，其脚踏板离Z线距离远，因而踏起来费劲。再由，当脚踏板受到一垂直于地面的力F时，由力学知识可知，其对旋转中心的切向分力f为f＝|F|×cosθ，对旋转中心的力矩M为M＝f×L，见图3。其中θ为曲柄与其水平位置的夹角，曲柄在水平位置之上为正角，在水平位置之下为负角，L为曲柄长度，cosθ可看作力的效率，|θ|越小，效率越大。当脚踏板采用旋转脚踏时，力的效率η的范围是0≤η≤1，因而力的效率差。

以上两个方面始终存在矛盾，由图4知，当脚踏板位于a、b和g、i之间时，脚踏板离Z线距离近，位置合理，但力的效率差，η≈0，存在两个脚踏不动的“死区”。当脚踏板位于c、e之间时，力的效率达到最大，η≈1，但离Z线远，脚踏板的位置不合理。

中国实用新型专利号01207793.3，授权公告日2002年1月9日，实用新型名称为《踏板式自行车》，该专利公开了一种采用上下脚踏方式的自行车，但由于其车架和中接头的位置与现行自行车相同，所以仍存在上述脚踏板位置不合理的问题，踏起来仍感到费劲。

发明内容：

为了克服上述现有技术的自行车存在受力效率差，脚踏板的位置不合理引起的踏起来费力的问题，本发明的目的是提供一种踏起来省力的自行车所用的车架。

中国发明专利申请号200410059660.3，申请日为2004年6月15日，发明名称为《上下脚踏式自行车》已经记载了为达到省力目的的一种自行车结构，而本发明正是该《上下脚踏式自行车》的车架。

为了解决上述技术问题，本发明的上下脚踏式自行车车架结构和所组装的自行车基本结构为：脚踏板采用在中轴前方上下脚踏；曲柄的转动范围被限止在一定的范围内，以提高力的效率；中接头向后移动，使脚踏板到Z线的距离缩短，达到省力的目的；同时降低中接头的高度，缓和脚踏板在最高位置时脚腕的弯由程度，使踏起来舒适、自然。

本发明的技术方案之一是这样实现的：一种上下脚踏式自行车车架，由前三角形和后三角形两部份组成；前三角形依次由上管、前管、下管、中接头和立管组成；后三角形依次由立管、中接头、两根平叉和两根立叉组成；其中中接头垂直且对称于所述车架平面，在中接头内安装有中轴；

所述车架上设有底管和至少一根下立管；底管垂直且对称于所述车架平面，其位于中接头的下方；下立管垂直接在中接头和底管之间，其对称线位于所述车架的平面上；下管的下端改接在底管中间，两根平叉都改接在底管上变成两根斜叉；

中接头的位置由下述方法确定，当把所述车架安装成自行车后，取经过鞍座中心点Z点且垂直于地面的直线为Z线，中接头距Z线的距离为D₁，在Z线之前D₁为正，在Z线之后D₁为负，中接头距地面的高度为H₁，鞍座中心点Z点距地面的高度为H₂，当H₂＝5.2L时，D₁与H₁的范围各为

-0.3L≤D₁≤0.5L    1.3L≤H₁≤1.8L

以上叁式中，L为曲柄长度。

所述的上下脚踏式自行车车架，在中接头中间与下管之间，设有一根中下管。

所述的上下脚踏式自行车车架，下立管的对称线与立管的轴线相重合。

本发明的技术方案之二为：一种上下脚踏式自行车车架，由前三角形和后三角形两部分组成；前三角形依次由上管、前管、下管、中接头和立管组成；后三角形依次由立管、中接头、两根平叉和两根立叉组成；其中中接头垂直且对称于所述车架平面，在中接头内安装有中轴；

中接头的位置由下述方法确定，当把所述车架安装成自行车后，取经过鞍座中心点Z点且垂直于地面的直线为Z线，中接头距Z线的距离为D₁，在Z线之前D₁为正，在Z线之后D₁为负，中接头距地面的高度为H₁，鞍座中心点Z点距地面的高度为H₂，当H₂＝5.2L时，D₁与H₁的范围各为

-0.3L≤D₁≤0.5L    1.3L≤H₁≤1.8L

以上叁式中，L为曲柄长度。

用本发明的上下脚踏式自行车车架所组装的自行车与现行自行车相比，其优点在于，脚踏板的位置合理，适合人体用力的特点；在整个脚踏范围内，不存在脚踏不动的“死区”；力的效率η的范围，由原来0≤η≤1，一般可提高到0.5≤η≤1；脚踏板与Z线之间的距离缩短了，缩短的距离至少达到25％，一般可达45％，故省力至少达到25％，一般可达45％左右，因而踏起来省力、轻松。

附图说明：

图1为现行28英寸(710毫米)自行车结构图及Z线位置图。

图2为鞍座中心点Z点位置的确定方法图，其中图a为俯视图，图b为侧面图。

图3为现行自行车脚踏板上受力分析图。

图4为现行自行车脚踏时脚踏板的位置与受力的效率及离Z线的距离综合分析图

图5为本发明的上下脚踏式自行车车架的各种结构图。

图6为本发明的上下脚踏式自行车车架中中接头的位置与省力情况的分析图。

图7为用本发明的上下脚踏式自行车车架所组装成的自行车之一图。

图8为用本发明的上下脚踏式自行车车架所组装成的自行车之二图。

图9为用本发明的上下脚踏式自行车车架所组装成的自行车之三图。

具体实施方式：

首先对用本发明的上下脚踏式自行车车架所组装的自行车作概要说明。

用本发明的上下脚踏式自行车车架4所组装的自行车，其脚踏板采用在中轴前方上下脚踏，在中轴两端各装有一离合器6，两曲柄14一端分别套在两离合器6上，两曲柄另一端安装脚踏板，在两曲板14上还各装有曲柄回复器7，参见图7。在左右曲柄14的前上方和前下方，还装有曲柄正角限位机构8和曲柄负角限位机构9，分别控制两曲柄向上转动范围和向下转动范围。两曲柄转动角度θ，以曲柄水平位置为零度线，向上转动为正角，向下转动为负角，一般控制在-60⁰≤θ≤60⁰范围内。

曲柄的工作过程是，当脚踏脚踏板时，譬如踏在左脚踏板上时，左曲柄14向下转动，通过离合器6，带动中轴转动，再通过链轮带动后轮转动。在左曲柄14向下转动时，左曲柄回复器7中的蜗卷弹簧被逐渐旋紧，产生回复力。当左脚踏板踏到下面，左曲柄14被左负角限位机构9挡住后，左脚开始往上提。此时，在左曲柄回复器7中蜗卷弹簧回复力的作用下，左曲柄14往上运动，直到被左正角限位机构8挡住为止。由于离合器6的单方向作用，此时其不会带动中轴转动。当左脚踏板再往下踏时，重复前面的过程。右脚踏板运动过程同左脚踏板相同，左右脚踏板同时交替上下脚踏，使自行车向前运动。

实施例1：

图5a为实施例1，为本发明的上下脚踏式自行车架4。其结构包括前三角形和后三角形两部分。前三角形依次由上管412、前管411、下管413、中接头415和立管414组成；后三角形依次由立管414、中接头415、两根平叉421和两根立叉422组成；中接头415垂直且对称于车架4的平面，在中接头415内安装有中轴；所述车架4上设有底管423和一根下立管416；底管423垂直且对称于车架4的平面，其位于中接头415的下方；下立管416垂直接在中接头415和底管423之间，其对称线位于车架4的平面上；下管413的下端改接在底管423中间，两根平叉421都改接在底管423上变成两根斜叉421′；两根斜叉421′之间靠近后轮处设有斜叉小管424，两根立叉422之间靠近后轮处设有立叉小管425。

图中下立管416为一根，其对称线就是其轴线，图中N虚线为立管414的轴线，P虚线为下立管416的轴线，立管414的轴线N虚线与下立管416的轴线P虚线相交。

图中中接头415的位置由下述方法确定，当把所述车架4安装成自行车后，取经过鞍座中心点Z点且垂直于地面的直线为Z线，中接头415距Z线的距离为D₁，在Z线之前D₁为正，在Z线之后D₁为负，中接头415距地面的高度为H₁，鞍座中心点Z点距地面的高度为H₂，当H₂＝5.2L时，D₁与H₁的范围各为

-0.3L≤D₁≤0.5L    1.3L≤H₁≤1.8L

以上叁式中，L为曲柄长度。其中Z点的高度H₂＝5.2L，是为了固定鞍座的位置，在此前提下确定中接头415的位置，才有实际意义。

实施例2：

图5d为实施例2。与实施例1相比，区别为下立管416有两根，两根下立管416的对称线在车架4的平面上，且与立管414的轴线相重合。图中N虚线既是立管414的轴线，也是两根下立管416的对称线。

实施例3：

本实施例与实施1相比，区别为下立管416像图b那样有两根，两根下立管416的对称线在车架4的平面上，且两根下立管416的对称线与立管414的轴线像图b那样相交。

实施例4：

本实施例与实施例2相比，区别为下立管416像图C那样只有一根，且一根下立管416的轴线与立管414的轴线像图C那样相重合。

实施例5：

图5b为实施例5，图中P虚线为两根下立管416的对称线，N虚线为立管414的轴线，P虚线与N虚线相交。本实施例与实施例1相比，区别为在中接头415的中间与下管413之间，设有一根中下管417；下立管416有两根，两根下立管416的对称线在车架4的平面上。

实施例6：

图5c为实施例6，本实施例与实施例1相比，区别为在中接头415的中间与下管413之间设有一根中下管417，下立管416的轴线与立管414的轴线相重合。图中N虚线既是立管414的轴线，也是下立管416的轴线。

实施例7：

本实施例与实施例5相比，区别为下立管416只有一根，其轴线在车架4的平面上，且下立管416的轴线与立管414的轴像图a那样相交。

实施例8：

本实施例与实施例6相比，区别为下立管416有两根，两根下立管416的对称线与立管414的轴线像图d那样重合。

上面8个实施例的上下脚踏式自行车车架，为基本型车架。

实施例9为图e、实施例10为图f、实施例11为图g、实施例12为图h、实施例13为图i、实施例14为图j、实施例15为图k。

从实施例9到实施例15的7个实施例，可称为7种流行款式车架，都是从实施例6或实施例8中衍生出来的，参见图c。它们的特点是，上管412和下管413为各种形状的弯曲管，这些都是从现行自行车的结构中搬过来的。在现行自行车中，下管413的下端(或称右端)是接在中接头415上的，两根平叉也是接在中接头415上的，在这里都改接到底管423上。上述8种基本型车架的任一种，都可仿此衍生出这7种流行款式车架。

在上述所有实施例中，下立管416不能过长，否则就会像图51中曲柄14压不到负角限位器93，应将下立管416由图51中a点位置缩短到b点位置，见图m，并使底管423位于链罩419之外，见图n，这样才能使负角限位器93的柄管插入到底管423内，否则负角限位器93将无法安装。

中下管417与下管413的连接，既可像图1中那样接成锐角状，也可像图m那样接成垂直状。

若把两根斜叉421′投影到车架平面上，其前部既可像图n那样为弯曲管，也可像图m那样为直管，图n为车架4的右视图。

图o为图n的底视图，图o右侧为自行车前方，图o上方为自行车右侧。

底管423的长度，应使得负角限位器93位于曲柄14的转动平面上，如图p，这样曲柄14才能压到负角限位器93。

实施例16：

图5q为实施例16。本实施列的上下脚踏式自行车车架4，由前三角形和后三角形两部分组成，前三角形依次由上管412、前管411、下管413、中接头415和立管414组成；后三角形依次由立管414、中接头415、两根平叉421和两根立叉422组成；其中中接头415垂直且对称于车架4的平面，在中接头415内安装有中轴；

中接头415的位置由下述方法确定，当把所述车架4安装成自行车后，取经过鞍座中心点Z点且垂直于地面的直线为Z线，中接头415距Z线的距离为D₁，在Z线之前D₁为正，在Z线之后D₁为负，中接头415距地面的高度为H₁，鞍痤中心点Z点距地面的高度为H₂，当H₂＝5.2L时，D₁与H₁的范围各为

-0.3L≤D₁≤0.5L    1.3L≤H₁≤1.8L

以上叁式中，L为曲柄长度，其中Z点的高度H₂＝5.2L，与实施例1相同，是为了确定鞍座的位置。本实施例的车架4，其结构为现行自行车的车架，区别仅在于中接头415的位置发生了变化。

在以上各实施例中，中接头415的位置都与现行自行车不同，由于其对达到省力的目的，起到决定性的作用，现对其省力的原理与大小叙述如下。

当脚的力f作用在脚踏板上时，见图6，假设力f的方向垂直于地面，那么脚踏板也以同样大小的力f作用在人的脚上，方向也垂直于地面。该力f对人的臀部产生力矩M，其力臂为力f的作用线到臀部α点之间的距离r，力矩M为M＝f×r。由于人是座在鞍座上的，所以该力臂可近似地看作是脚踏板到Z线的距离。因此，当脚踏板位于不同位置而受到同样大小的力时，力臂大的，对人的臀部力矩也大，人体为平衡该力矩所用的力气也大；力臂小的，对人臀部力矩也小，人体用的力气也小。即脚踏板离Z线远时，踏起来费劲，离Z线近时，踏起来省力。

为了比较现行自行车与本发明的上下脚踏式自行车车架所组装的自行车之间省力与费力的问题，现都以同一尺寸的自行车作比较，譬如，都以28英寸(710毫米)自行车作比较。

现行28英寸(710毫米)自行车(参见图1)，其中接头415离Z线距离为1L(L为曲柄长度，以下相同。)，当曲柄位于中轴前方且为水平位置时，其脚踏板离Z线的距离为1L+1L＝2L。本发明的上下脚踏式自行车车架其中接头415的位置范围为-0.3L≤D₁≤0.5L 1.3L≤H₁≤1.8L。在图6中示出了D₁的范围，以D₁范围的前端点：D₁＝0.5L作比较，由于本发明采用在中轴前方上下脚踏，所以当曲柄也位于水平位置时，脚踏板离Z线的距离为0.5L+1L＝1.5L。当上述两种自行车(同时参见图1、图6、图7)两位置的脚踏板受到大小相同的力f时，该力f对人的臀部α点处的力矩M之比就是力臂r之比，即为：

f×1.5L∶f×2L＝1.5L∶2L＝1.5∶2＝3∶4

由于人的力气的大小没有度量方法，但由前所述，所用力气与力矩的大小之间存在一定的对应关系，故也可认为所用力气之比也为3∶4。因为3∶4＝75％，所以本发明的上下脚踏式自行车车架所组装的自行车所用力气是现行自行车的75％，也可说省力为25％。

若要省力的效果大一点，可把中接头415的位置由前端点向后移动，例如移动到D₁＝0.2L处。当曲柄位于水平位置时，脚踏板离Z线的距离为0.2L+1L＝1.2L，与

现行自行车曲柄位于水平位置时的力矩之比为：

1.2L∶2L＝1.2∶2＝6∶10

或者说，所用力气是现行自行车的60％，也可说省力为40％。

现再以上述两者曲柄转动角度θ都在-60°≤θ≤60°范围内作比较，则在范围两端点处的力矩之比为：

(0.2L+1L×cos60°)∶(1L+1L×cos60°)＝(0.2L+0.5L)∶(1L+0.5L)

             ＝0.7L∶1.5L＝7∶15≈47∶100

或者说，所用力气是现行自行车的47％，也可说省力为53％。

因此，当曲柄在-60°≤θ≤60°范围内运动时，两者力矩之比的范围为47∶100～60∶100，或者说本发明的上下脚踏式自行车车架所组装的自行车所用的力气是现行自行车的47％～60％，也可说省力的范围为40％～53％，由此可看出本发明的上下脚踏式自行车车架的有益效果。

当中接头415位于D₁＝0.2L时，若曲柄位于θ≥60°位置附近时，人的脚腕处弯曲严重，这在图6中可看出。这时踏起来不自然，不但达不到省力的目的，反而感到费劲。故应辅以下降中接头415的高度，以缓和脚腕处的弯曲程度，以使踏起来自然一些，可取中接头415的高度为H₁＝1.6L。因此中接头的位置D₁＝0.2L H₁＝1.6L可作为最佳方案。也可再使曲柄转动角度θ的范围为：-60°≤θ≤60°，予以配合。

以上关于中接头415位置的选择和省力情况的分析，适用于本发明的上下脚踏式自行车车架的所有实施例。

实施例17：

图7为实施例17，为28英寸(710毫米)自行车。本实施例由图5c的车架4组装而成的自行车，脚踏板采用在中轴前方上下脚踏。图中Z点为鞍座中心点，其位置确定方法由图2示出。经过Z点且垂直于地面的直线为Z线，H₂为Z点距地面的高度。H₁为中接头415距地面的高度，D₁为中接头415距Z线的距离。图中当H₂＝5.2L时，D₁＝0.33L H₁＝1.65L。

图中离合器6安装在中轴的两端，曲柄14的一端装有曲柄回复器7，曲柄回复器7套在离合器6上，曲柄14的另一端安装脚踏板。图中L为曲柄长度，θ为曲柄转动角度。图中正角限位机构8，控制曲柄向上转动的范围，为θ≤65°；负角限位机构9，控制曲柄向下转动范围，为θ≥-65°；因此曲柄正负角限位机构控制曲柄转动角度θ的范围为：-65°≤θ≤65°。

脚踏过程为：当左脚踏板往下踏时，通过左曲柄14，带动左离合器6，进而带动中轴、链轮、最后带动后轮转动。同时左曲柄回复器7中的蜗卷弹簧被旋紧，于是产生回复力。当左曲柄向下转动碰到左负角限位器9时，其转动被限制。在左脚往下踏的同时，右脚向上提起，右曲柄在右曲柄回复器7中的蜗卷弹簧回复力的作用下，右曲柄向上转动，直到右曲柄被右正角限位机构8挡住为止。于是右脚踏板往下踏，左脚提起，其过程与前相似，两脚踏板同时交替上下脚踏，使自行车向前运动。

实施例18：

图8为实施例18，本实施例由图5h的车架4组装而成的自行车。

本实施例车架为28英寸(710毫米)，但车轮为24英寸(610毫米)。图中离合器6、曲柄回复器7、曲柄正角限位机构8、曲柄负角限位机构9、曲柄14、L为曲柄长度。

图中鞍座为翻转式自行车鞍座，当鞍座如图中翻起后，可站立在脚踏板上上下脚踏，以增大脚踏力量。图中虚线鞍座为鞍座未翻起时的位置。图中Z点为鞍座中心点，经过Z点且垂直于地面的直线为Z线，D₁、H₁、H₂的含义与前相同。图中当H₂＝5.2L时，D₁＝0.22L H₁＝1.6L。

脚踏过程与前述相同。

实施例19：

图9为实施例19。本实施例是由图5q的车架4组装而成的自行车，为28英寸(710毫米)自行车。

图中离合器6、曲柄回复器7、曲现正角限位机构8、曲柄14、链罩419、L为曲柄长度。

图中Z点、Z线、D₁、H₁、H₂的含义与前述相同。图中当H₂＝5.2L时，D₁＝3.2LH₁＝1.65L。

图中车架结构为现行自行车的车架结构，区别仅在于中接头415的位置发生了变化。

图中未装有曲柄负角限位机构9，因而结构显得简单些，曲柄向下转动的范围，靠骑行时灵活掌握。

脚踏过程与前述相同。

Claims (1)

1.一种上下脚踏式自行车车架，由前三角形和后三角形两部分组成；前三角形依次由上管、前管、下管、中接头和立管组成；后三角形依次由立管、中接头、两根平叉和两根立叉组成；其中中接头垂直且对称于所述车架平面，在中接头内安装有中轴，其特征在于：

中接头的位置由下述方法确定，当把所述车架安装成自行车后，取经过鞍座中心点Z点且垂直于地面的直线为Z线，中接头距Z线的距离为D₁，中接头在Z线之前D₁为正值，在Z线之后D₁为负值，中接头距地面的高度为H₁，鞍座中心点Z点距地面的高度为H₂，当H₂＝5.2L时，D₁与H₁的范围各为

-0.3L≤D₁≤0.5L  1.3L≤H₁≤1.8L

以上叁式中，L为曲柄长度。

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